Не ограничиваясь коронавирусом: открытия в области вирусологии, преобразующие биологиюНе ограничиваясь коронавирусом: открытия в области вирусологии, преобразующие биологию
SARS-CoV-2 - лишь один из нониллионов вирусов на нашей планете и ученые быстро выявляют легионы новых видов.
Майя Брейтбарт охотилась за новыми вирусами в африканских термитниках, антарктических тюленях и водах Красного моря. Но чтобы обнаружить новых ей достаточно было зайти в свой сад во Флориде. Вокруг ее бассейна висят колючеспинные орбиверы (Gasteracantha cancriformis) - поразительные пауки с луковицеобразным белым телом, черными крапинками и шестью алыми шипами, которые делают их похожими на средневековое оружие. Еще более поразительным для Брейтбарт, специалиста по вирусной экологии из Университета Южной Флориды в Санкт-Петербурге, было то, что находилось внутри. Когда она и ее коллеги собрали несколько пауков и измельчили их, они обнаружили два ранее неизвестных науке вируса.
Хотя с начала 2020 года люди сосредоточились на одном особенно неприятном вирусе, существуют легионы других вирусов, ожидающих своего открытия. По оценкам ученых, только в океанах в любой момент времени обитает около 1031 отдельных вирусных частиц, что в 10 миллиардов раз превышает предполагаемое количество звезд в известной Вселенной.
Становится ясно, что экосистемы и организмы зависят от вирусов. Крошечные, но могущественные, они миллионы лет подпитывали эволюцию, перенося гены между хозяевами. В океанах они вскрывают микроорганизмы, выливая их содержимое в море и наполняя пищевую сеть питательными веществами. "Без вирусов, - говорит Кертис Саттл, вирусолог из Университета Британской Колумбии в Ванкувере, Канада, - мы бы не выжили".
Вирусы бывают разных форм и размеров, например, гигантский мимивирус (вверху справа) и бактериофаг в форме лунохода (в центре). Верхний ряд слева направо: вирус оспы; бутылкообразный вирус Acidianus; мимивирус Acanthamoeba polyphaga. Средний ряд справа налево: вирус бешенства; бактериофаг T4; ротавирус. Нижний ряд слева направо: вирус Эбола; вирус табачной погремушки; ВИЧ-2. M. Häring et al./J. Virol.; E. Ghigo et al./PLOS Pathog.; Frederick A. Murphy/CDC Global
В списке Международного комитета по таксономии вирусов (ICTV) насчитывается всего 9 110 поименованных видов, но это, очевидно, жалкая доля от общего числа. Отчасти это объясняется тем, что для официальной классификации вируса раньше ученым требовалось культивировать вирус в клетках его хозяина или носителя - процесс трудоемкий, если не невозможный. Это также связано с тем, что поиск был предвзятым по отношению к вирусам, вызывающим заболевания у людей или организмов, о которых мы заботимся, таких как сельскохозяйственные животные и культурные растения. Однако, как напомнила нам пандемия COVID-19, необходимо понимание вирусов, которые могут переходить от одного хозяина к другому, угрожая нам, нашим животным или нашим сельскохозяйственным культурам.
За последние десять лет количество известных и получивших названия вирусов резко возросло благодаря развитию технологий их поиска, а также недавнему изменению правил идентификации новых видов, позволяющему давать названия без необходимости культивирования вируса. Одним из наиболее эффективных методов является метагеномика, которая позволяет исследователям собирать образцы геномов в окружающей среде без необходимости культивирования отдельных вирусов. Новые технологии, такие как секвенирование отдельных вирусов, добавляют в список еще больше вирусов, включая некоторые удивительно распространенные, но до сих пор остававшиеся неизвестными. Это захватывающее время для проведения подобных исследований, говорит Брейтбарт. "Я думаю, что во многих отношениях сейчас наступило время вирома".
Только в 2020 году ICTV включила в свой официальный список 1044 вида, и еще тысячи видов ожидают своего описания и присвоения названия. Такое увеличение количества геномов заставило вирусологов переосмыслить способы классификации вирусов и помогло прояснить их эволюцию. Существуют убедительные доказательства того, что вирусы возникали много раз, а не появились из одного источника. Несмотря на это, истинный диапазон вирусного мира остается в основном неизведанным, говорит Йенс Кун, вирусолог из Национального института аллергии и инфекционных заболеваний США в Форт-Детрике, штат Мэриленд. "Мы действительно не имеем абсолютно никакого представления о том, что там есть".
Здесь, там и везде
У всех вирусов есть две общие черты: каждый из них заключает свой геном в белковую оболочку, и каждый из них для своего размножения полагается на своего хозяина - человека, паука или растение. Но помимо этой общей схемы существуют бесконечные вариации.
Существуют миниатюрные цирковирусы, содержащие всего два или три гена, и массивные мимивирусы, которые больше некоторых бактерий и несут сотни генов. Есть фаги, похожие на лучи, которые инфицируют бактерии, и, конечно, убийственные шипастые шарики, с которыми мир теперь до боли знаком. Есть вирусы, которые хранят свои гены в виде ДНК, другие используют РНК; есть даже фаг, который использует альтернативный генетический алфавит, заменяя химическое основание А в стандартной системе ACGT другой молекулой, обозначаемой Z.
Исследования колючеспинного орбивера обнаружили два ранее неизвестных науке вируса. Credit: Scott Leslie/Minden Pictures/Alamy
Вирусы настолько вездесущи, что могут обнаружиться даже тогда, когда ученые их не ищут. Фредерик Шульц не собирался изучать вирусы, когда просматривал геномные последовательности в сточных водах. Будучи аспирантом Венского университета, в 2015 году он использовал метагеномику для поиска бактерий. Это предполагает выделение ДНК из целого набора организмов, разделение ее на кусочки и секвенирование их всех. Затем компьютерная программа собирает эти кусочки в отдельные геномы; это похоже на решение сотен пазлов, кусочки которых были перемешаны.
Среди бактериальных геномов Шульц не мог не заметить геном вируса - очевидно, потому что он нес гены для вирусной оболочки - с поразительными 1,57 миллионами пар оснований. Оказалось, что это гигантский вирус, входящий в группу вирусов, представители которой являются крупными как по размеру генома, так и по абсолютным размерам (обычно 200 нанометров и более в поперечнике). Эти вирусы заражают амеб, водоросли и других протистов, что позволяет им влиять на экосистемы как водные, так и наземные. Шульц, ныне микробиолог из Объединенного института генома Министерства энергетики США в Беркли, Калифорния, решил поискать родственные вирусы в наборах метагеномных данных. В 2020 году в одной статье он и его коллеги описали более 2 000 геномов из группы, содержащей гигантские вирусы; до этого в открытых базах данных было представлено всего 205 таких геномов.
Вирусологи также искали новые виды внутри человека. Вирусный биоинформатик Луис Камарильо-Герреро вместе с коллегами из Института Wellcome Sanger в Хинкстоне (Великобритания) проанализировал метагеномы из кишечника человека и создал базу данных, содержащую более 140 000 видов фагов. Более половины из них были новыми для науки. Их исследование, опубликованное в феврале, совпало с выводами других авторов о том, что одним из самых распространенных вирусов, инфицирующих бактерии в нашем кишечнике, является группа, известная как crAssphage (названная так в честь программного обеспечения, которое обнаружило ее в 2014 году). Несмотря на их обилие, мало что известно о том, какой вклад они вносят в наш микробиом, говорит Камарильо-Герреро, который сейчас работает в компании Illumina, занимающейся секвенированием ДНК.
Метагеномика обнаружила огромное количество вирусов, но многие из них она также игнорирует. РНК-вирусы не секвенируются в типичных метагеномах, поэтому микробиолог Колин Хилл из Университетского колледжа Корка (Ирландия) и его коллеги искали их в базах данных РНК, называемых метатранскриптомами. Обычно ученые используют эти данные, чтобы понять, какие гены в популяции активно превращаются в мессенджерную РНК для создания белков, но геномы РНК-вирусов тоже могут быть обнаружены. Используя вычислительные методы для извлечения последовательностей из данных, команда обнаружила 1015 вирусных геномов в метатранскриптомах из образцов ила и воды. И снова они значительно увеличили число известных вирусов благодаря только одной статье.
Гигантский тупанвирус, обнаруженный в амебах, имеет длину более 1000 нанометров и самый большой набор генов, кодирующих белки, среди всех известных вирусов. Credit: J. Abrahão et al./Nature Commun.
Хотя эти методы могут случайно собрать ненастоящие геномы, у исследователей есть способы контроля качества для защиты от этого. Но есть и другие "слепые пятна". Например, вирусные виды, представители которых очень разнообразны, найти невероятно сложно, потому что компьютерным программам трудно собрать воедино разрозненные последовательности. Альтернативой является изучение вирусных геномов по одному, как это делает микробиолог Мануэль Мартинес-Гарсия в Университете Аликанте (Испания). Он решил попробовать пропустить морскую воду через сортировочную машину, чтобы выделить отдельные вирусы, амплифицировал их ДНК и приступил к секвенированию.
С первой попытки он обнаружил 44 генома. Оказалось, что один из них представляет собой один из самых распространенных вирусов в океане. Этот вирус настолько разнообразен - его генетический пазл настолько отличается от одной вирусной частицы к другой, что его геном никогда не фигурировал в метагеномных исследованиях. Мартинес-Гарсия шутит, что, учитывая его способность прятаться от посторонних глаз, ему следовало бы дать имя 007, в честь Джеймса Бонда.
Родословные вирусов
Джеймс Бонд океанических вирусов не имеет официального латинского видового названия, как и большинство тысяч вирусных геномов, обнаруженных метагеномикой за последнее десятилетие. Эти сиквенсы поставили ICTV перед дилеммой: достаточно ли одного генома, чтобы дать вирусу название? До 2016 года для того, чтобы предложить ICTV новый вирус или таксономическую группу, ученые должны были иметь этот вирус в культуре, за редким исключением. Но в том же году после спорных, но доброжелательных дебатов вирусологи согласились с тем, что генома достаточно.
Предложения о новых вирусах и группах сыпались рекой. Но эволюционные отношения между этими вирусами часто оставались неясными. Вирусологи обычно классифицируют вирусы по их форме (длинные и тонкие, скажем, или голова с хвостом) или по их геномам (ДНК или РНК, одно- или двухцепочечные), но это на удивление мало говорит об общем происхождении. Например, вирусы с геномами двухцепочечной ДНК, похоже, возникли по крайней мере при четырех разных обстоятельствах.
Источник: ICTV
Оригинальная вирусная классификация ICTV, которая полностью обособлена от дерева клеточной жизни, включала только нижние ступени эволюционной иерархии, от вида и рода до порядкового уровня - уровня, эквивалентного приматам или деревьям с шишками в классификации многоклеточной жизни. Более высоких уровней не было. И многие вирусные семейства обитали в одиночестве, не имея связей с другими видами вирусов. Поэтому в 2018 году ICTV добавила уровни более высокого порядка: классы, филы и царства.
На самом верху было создано "царство", задуманное как аналог "доменов" клеточной жизни - Bacteria, Archaea и Eukaryota - но с использованием другого слова для различения этих двух деревьев. (Несколько лет назад некоторые ученые предположили, что определенные вирусы могут вписываться в эволюционное дерево, базирующееся на клетках, но эта идея не получила широкого распространения). ICTV обозначил ветви дерева и сгруппировал вирусы на основе РНК в царство под названием Riboviria. SARS-CoV-2 и другие коронавирусы, имеющие геномы одноцепочечной РНК, являются частью этого царства. Затем более широкое сообщество вирусологов должно было предложить другие таксономические группы. Так случилось, что Юджин Кунин, эволюционный биолог из Национального центра биотехнологической информации в Бетесде, штат Мэриленд, собрал команду для анализа всех вирусных геномов, а также последних исследований вирусных белков, чтобы создать первый проект таксономии.
Они реорганизовали Riboviria и предложили еще три царства. По словам Кунина, возникли некоторые разногласия по поводу деталей, но таксономия была без особых проблем ратифицирована членами ICTV в 2020 году. Еще два царства получили зеленый свет в 2021 году, но первоначальные четыре царства, вероятно, останутся самыми большими, говорит он. В конечном итоге, предполагает Кунин, число царств может достигнуть 25.
Источник: ICTV (talk.ictvonline.org/taxonomy); ICTV Coronaviridae Study Group. Nature Microbiol. 5, 536-544 (2020)
Это число подтверждает предположение многих ученых о том, что у вирусов нет единого общего предка. "Не существует единого корня для всех вирусов", - говорит Кунин. "Его просто не существует". Это означает, что вирусы, вероятно, возникали несколько раз в истории жизни на Земле - и нет причин думать, что такое возникновение не может произойти снова. "Возникновение новых вирусов de novo все еще продолжается", - говорит Март Крупович, вирусолог из Института Пастера в Париже, который принимал участие как в решении ICTV, так и в работе группы Кунина по таксономии.
У вирусологов есть несколько идей относительно того, как возникли эти царства. Возможно, они произошли от независимых генетических элементов на заре жизни на Земле, еще до появления клеток. Возможно, они сбежали или "развились" из целых клеток, отказавшись от большинства клеточных механизмов ради минималистичного образа жизни. Кунин и Крупович предпочитают гибридную гипотезу, согласно которой эти первобытные генетические элементы украли гены у клеточной жизни для создания своих вирусных частиц. Поскольку существует несколько вариантов происхождения вирусов, возможно, существует и несколько способов их возникновения, говорит Кун, который также входил в комитет ICTV и работал над новым предложением по таксономии.
Таким образом, хотя вирусное и клеточное деревья жизни различны, ветви соприкасаются, и гены переходят от одного к другому. Считаются ли вирусы "живыми", зависит от вашего личного определения жизни. Многие исследователи не считают их живыми существами, но другие с этим не согласны.
"Я склонен считать, что они живые",
- говорит Хироюки Огата, биоинформатик, работающий с вирусами в Киотском университете в Японии. "Они развиваются, у них есть генетический материал, состоящий из ДНК и РНК, и они очень важны для эволюции всего живого".
Нынешняя классификация, по общему признанию, является лишь первой попыткой, и некоторые вирусологи говорят, что она несколько беспорядочна. У целого ряда семейств до сих пор нет связи с каким-либо царством. "Хорошо то, что мы пытаемся навести порядок в этом беспорядке", - говорит Мартинес-Гарсия.
Меняющие мир
Поскольку общая масса вирусов на Земле эквивалентна массе 75 миллионов синих китов, ученые уверены, что они оказывают влияние на пищевые цепочки, экосистемы и даже атмосферу планеты. Ускоряющееся открытие новых вирусов "выявило целый арсенал новых способов прямого воздействия вирусов на экосистемы", - говорит Мэтью Салливан, вирусолог-эколог из Университета штата Огайо в Колумбусе. Но ученые все еще пытаются определить, насколько велико их влияние.
"На данный момент у нас нет какой-то простой истории, - говорит Огата. В океане вирусы могут вырываться из своих микробных хозяев, высвобождая углерод, который затем перерабатывается другими, поедающими клетки хозяина и производящими углекислый газ. Но совсем недавно ученые также поняли, что вирусы часто собираются вместе и опускаются на дно океана, улавливая углерод из атмосферы".
Вирусные геномы, отобранные из оттаивающей вечной мерзлоты на болоте Стордален в Швеции, содержат гены, которые могут способствовать расщеплению и высвобождению углерода.Credit: Bob Gibbons/Alamy
На суше оттаивающая вечная мерзлота является основным источником углерода, говорит Салливан, и вирусы, похоже, играют важную роль в высвобождении углерода из микробов в этой среде. В 2018 году он и его коллеги описали 1 907 вирусных геномов и фрагментов, собранных из оттаивающей вечной мерзлоты в Швеции, включая гены белков, которые могут влиять на то, как соединения углерода распадаются и, возможно, становятся парниковыми газами.
Вирусы также могут влиять на другие организмы, перемешивая их геномы. Например, когда вирусы переносят гены резистентности к антибиотикам от одной бактерии к другой, могут появиться штаммы, резистентные к лекарствам. Со временем такой перенос может привести к серьезным эволюционным сдвигам в популяции, говорит Камарилло-Герреро. И не только в бактериях - примерно 8% человеческой ДНК имеет вирусное происхождение. Например, наши предки-млекопитающие приобрели ген, необходимый для развития плаценты, от вируса.
Для ответа на многие вопросы о существовании вирусов ученым понадобятся не только геномы. Им нужно будет найти хозяев вируса. Сам вирус может дать подсказки: например, он может нести в своем геноме узнаваемый кусочек генетического материала хозяина.
Мартинес-Гарсия и его коллеги использовали геномику единичных клеток для идентификации микробов, которые содержали недавно открытый вирус 37-F6. Хозяином вируса оказался один из самых распространенных микроорганизмов в море - бактерия, известная как Pelagibacter. В некоторых водах Pelagibacter составляет половину всех клеток. Мартинес-Гарсия говорит, что если бы внезапно исчез только один вид вируса, жизнь в океане была бы катастрофически нарушена.
Чтобы понять все влияние вирусов, ученым необходимо выяснить, как они изменяют своего хозяина, говорит Александра Ворден, эволюционный эколог из Центра океанических исследований GEOMAR Helmholtz в Киле, Германия. Она изучает гигантские вирусы, несущие гены светоулавливающих белков, называемых родопсинами. Теоретически, эти гены могут быть полезны для хозяев - для таких целей, как передача энергии или сигнализация - но найденные сиквенсы не могут этого подтвердить. Чтобы выяснить, что происходит с этими генами родопсинов, Ворден планирует культивировать хозяина и вирус вместе и изучить, как они функционируют в объединенном состоянии - "вироклетке". "Клеточная биология - это единственный способ сказать, какова истинная роль вируса, и как он действительно влияет на углеродный цикл", - говорит она.
Вернувшись во Флориду, Брейтбарт не стала выращивать свои паучьи вирусы, но она узнала о них кое-что новое. Пара этих вирусов относится к категории, которую Брейтбарт называет умопомрачительной, поскольку их крошечные, циркулярные геномы кодируют всего один ген для белковой оболочки и один для белка репликации. Один из вирусов обнаруживается только в теле паука, но не в его ногах, поэтому она считает, что он инфицирует какое-то существо, которым паук питается. Другой вирус обнаруживается во всем теле паука, а также в его яйцах и паучатах, поэтому она считает, что он передается от родителей к потомству. Насколько можно судить, он не причиняет им никакого вреда.
В случае с вирусами "найти их на самом деле проще простого", - говорит она. Гораздо сложнее разобраться в том, как вирусы влияют на жизненные циклы и экологию хозяина. Но сначала вирусологи должны ответить на один из самых сложных вопросов, говорит Брейтбарт: "Как выбрать, какой из них изучать?".
